仿人靈巧手觸覺傳感器及控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、仿人型靈巧手在提高機器人系統(tǒng)的操作執(zhí)行能力方面扮演著重要的角色，研制多指靈巧手的觸覺傳感系統(tǒng)及其控制操作，對于提高多指靈巧手的操作能力及智能化水平具有重要意義。本文結(jié)合國家863計劃的主題項目“新一代五指仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設計及抓取操作的研究”，研制機器人五指靈巧手的觸覺傳感器，并對基于觸覺的靈巧手控制系統(tǒng)進行研究。
　　本文研制一種基于HIT/DLR II五指靈巧手指尖非規(guī)則曲面的微型柔性觸覺傳感器。該傳感器電極采用同向配置形式，

2、并直接與柔性電路系統(tǒng)相結(jié)合附著在靈巧手指尖區(qū)域。覆蓋在電極表面的壓阻橡膠既能夠保證觸覺傳感器精確檢測指尖接觸位置，又能夠測量該點的接觸力大小?；谄叽味囗検降姆椒ㄟM行觸覺傳感器單觸點的靜態(tài)力標定。在此基礎上采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對多觸點加載接觸的情況進行整體標定及解耦，用以提高觸覺傳感器實際應用能力。由36個觸覺感知單元構(gòu)成的指尖感知系統(tǒng)能夠精確檢測觸點位置及接觸力。該傳感器提高了HIT/DLR II靈巧手指尖非規(guī)則曲面力和位置檢測的分

3、辨率，同時具有高集成度和微型化等特點。
　　觸覺傳感器使靈巧手能夠精確感知指尖觸點的位置，根據(jù)HIT/DLR II五指靈巧手的構(gòu)型，利用D-H參數(shù)法構(gòu)建手指常規(guī)運動學模型。在此基礎上，基于覆蓋在指尖區(qū)域的觸覺傳感器把手指指肚分割成多個獨立單元片體的特點，構(gòu)建了能夠真實反映指尖觸點位置變化的手指末端精確運動學模型。該運動學模型引入了觸點個數(shù)及末端桿件偏轉(zhuǎn)角參數(shù)，大大提高了手指抓取運動學模型的精確性。基于該模型建立了手指的動力學模型，

4、并采用基于模型分析的方法進行了手指模型的參數(shù)辨識，為控制系統(tǒng)提供數(shù)學支撐。
　　為了保證手指運動的精確性和抓取操作的柔順性，首先研究了手指的位置控制和阻抗控制策略?；诒孀R后的手指模型，利用根軌跡方法，分別設計速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)節(jié)器。與傳統(tǒng)的基于工程試湊法相比，該方法既縮短了參數(shù)整定的時間，又提高了控制模型的數(shù)學描述能力。其次，基于手指關節(jié)空間的動力學模型，建立手指的操作空間模型，實現(xiàn)了手指笛卡爾空間的阻抗控制。該方法直接利用觸覺

5、傳感器測量的手指末端觸點位置及力信息，通過逆雅可比控制實現(xiàn)，有效降低了控制算法的復雜度。為了補償系統(tǒng)動力學的參數(shù)不確定性，基于卡爾曼濾波進行了動力學參數(shù)估計，并在手指上進行了實驗驗證。
　　為了滿足觸覺傳感器多觸點數(shù)據(jù)信息處理的實時性要求，設計了基于QNX實時操作系統(tǒng)的HIT/DLR II靈巧手控制平臺。該平臺由具有強大的圖形化建模功能的Simulink子平臺、具有硬件加速功能的QNX子平臺及靈巧手子平臺三部分組成，并采用以太網(wǎng)非

6、阻塞式通信協(xié)議實現(xiàn)了平臺間的無縫融合。利用Simulink子平臺的圖形化建模功能開發(fā)了靈巧手專用Simulink模塊庫，具有較強的實用性和擴展能力，對靈巧手的實時控制能力及系統(tǒng)集成具有重要意義。為了驗證平臺的實時性及可擴展性，首先，進行了融合觸覺信息的笛卡爾控制實驗。其次，通過基于Simulink平臺構(gòu)建的靈巧手自適應神經(jīng)模糊推理抓取模型（MR-ANFIS）對被操作物體進行了形狀重構(gòu)和位姿識別。該模型的最大特點是僅利用手指末端觸覺傳感器